气动机械手的设计.docx

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气动机械手的设计

Documentnumber【SA80SAB-SAA9SYT-SAATC-SA6UT-SA18】

气动机械手的设计

广东石油化工学院成人教育

毕业论文（设计、作业）

题目：

气动上下料机械手的设计

学生姓名：

杨景雄

层次：

本科

所学专业：

机械设计制造及其自动化

班级：

2012级

指导老师：

职称：

2015年03月20日

广东石油化工学院成人教育毕业论文（设计、作业）评语表

指导　教　师　评　语

评定成绩：

________分签名：

______________年月日

评阅　　教　　师　评　语

评定成绩：

________分签名：

_______________年月日

答辩结论

评定成绩：

________分签名：

_______________年月日

总评

评定等级：

________签名：

_______________年月日

广东石油化工学院成人教育毕业论文（设计、作业）

原创承诺书

我承诺所呈交的毕业论文（设计、作业）气动上下料机械手的设计是本人在老师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。

据我查证，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果。

若本论文（设计、作业）及资料与以上承诺内容不符，本人愿意承担一切责任。

毕业论文（设计、作业）作者签名：

日期：

年月日

广东石油化工学院成人教育毕业论文（设计、作业）任务书

发给学员　　　　　　　

1、毕业设计（论文、作业）题目：

　气动上下料机械手的设计　　　

2、学员完成设计（论文、作业）时间：

　　　年　　　月　　日

3、毕业设计（论文、作业）课题要求：

4、实验（上机、调研）部分要求内容：

5、文献查阅要求：

6、发出日期：

　　　　　年　　　　月　　　日

7、学员完成日期：

　　　　　年　　　　月　　　日

系（教研室）意见：

签名：

指导教师签名：

学生签名：

摘要

本文对机械手进行了总体方案设计，确定了机械手的座标型式和自由度，确定了机

械手的技术参数。

同时，分别设计了机械手的夹持式手部结构以及吸附式手部结构设计

了机械手的手腕结构，计算出了手腕转动时所需的驱动力矩和回转气缸的驱动力矩设计

了机械手的手臂结构，设计了手臂伸缩、升降用液压缓冲器和手臂回转用液压缓冲器。

设计出了机械手的气动系统，绘制了机械手气压系统工作原理图。

利用可编程序控制器对机械手进行控制，选取了合适的PLC型号，根据机械手的工作流程制定了可编程序控制器的控制方案，画出了机械手的工作时序图和梯形图，并编制了可编程序控制器的控制程序。

关键词：

工业机械手，机械手，气动，可编程序控制器（PLC）

摘要...........................................................................Ⅰ

第1章绪论.....................................................................1

机械手概述..................................................................1

机械手的组成和分类..........................................................1

1.2.1机械手的组成.............................................................1

1.2.2机械手的分类..........................................................3

国内外发展状况..............................................................4

课题的提出及主要任务课题的主要任务...........................................5

第2章设计方案..................................................................6

机械手的座标型式与自由度.....................................................6

机械手的手部结构方案设计.....................................................6

机械手的手腕结构方案设计.....................................................6

机械手的手臂结构方案设计.....................................................6

机械手的驱动方案设计........................................................7

机械手的控制方案设计.........................................................7

第3章手部结构设计................................................................7

手指的形状和分类..............................................................7

设计时考虑的几个问题...........................................................7

第4章手腕结构设计................................................................8

第5章手臂结构设计................................................................8

.结构设计......................................................................8

第6章气动系统设计................................................................8

气压传动系统工作原理图.........................................................8

第7章机械手PLC控制系统设计......................................................10

机械手的工艺过程..............................................................10

PLC控制系统...................................................................10

PLC控制系统程序设计...........................................................12

结束语.............................................................................16

参考文献...........................................................................17

第1章绪论

机械手概述

机械手是模仿着人手的部分动作，按给定程序、轨迹和要求实现自动抓取、搬运或操作的自动机械装置。

在工业生产中应用的机械手被称为“工业机械手”。

生产中应用机械手可以提高生产的自动化水平和劳动生产率:

可以减轻劳动强度、保证产品质量、实现安全生产;尤其在高温、高压、低温、低压、粉尘、易爆、有毒气体和放射性等恶劣的环境中，它代替人进行正常的工作，意义更为重大。

因此，在机械加工、冲压、铸、锻、焊接、热处理、电镀、喷漆、装配以及轻工业、交通运输业等方面得到越来越广泛的引用.

机械手的结构形式开始比较简单，专用性较强，仅为某台机床的上下料装置，是附属于该机床的专用机械手。

随着工业技术的发展，制成了能够独立的按程序控制实现重复操作，适用范围比较广的“程序控制通用机械手”，简称通用机械手。

由于通用机械手能很快的改变工作程序，适应性较强，所以它在不断变换生产品种的中小批量生产中获得广泛的引用。

机械手的组成和分类

1.2.1机械手的组成

机械手主要由执行机构、驱动系统、控制系统以及位置检测装置等所组成。

各系统相互之间的关系如方框图2-1所示。

图1-1机械手的组成方框图

（一）执行机构

包括手部、手腕、手臂和立柱等部件，有的还增设行走机构。

1、手部

即与物件接触的部件。

由于与物件接触的形式不同，可分为夹持式和吸附式手部。

夹持式手部由手指（或手爪）和传力机构所构成。

手指是与物件直接接触的构件，常用的手指运动形式有回转型和平移型。

回转型手指结构简单，制造容易，故应用较广泛。

平移型应用较少，其原因是结构比较复杂，但平移型手指夹持圆形零件时，工件直径变化不影响其轴心的位置，因此适宜夹持直径变化范围大的工件。

手指结构取决于被抓取物件的表面形状、被抓部位（是外廓或是内孔）和物件的重量及尺寸。

常用的指形有平面的、V形面的和曲面的:

手指有外夹式和内撑式;指数有双指式、多指式和双手双指式等。

而传力机构则通过手指产生夹紧力来完成夹放物件的任务。

传力机构型式较多，常用的有:

滑槽杠杆式、连杆杠杆式、斜面杠杆式、齿轮齿条式、丝杠螺母弹簧式和重力式等。

吸附式手部主要由吸盘等构成，它是靠吸附力（如吸盘内形成负压或产生电磁力）吸附物件，相应的吸附式手部有负压吸盘和电磁盘两类。

对于轻小片状零件、光滑薄板材料等，通常用负压吸盘吸料。

造成负压的方式有气流负压式和真空泵式。

对于导磁性的环类和带孔的盘类零件，以及有网孔状的板料等，通常用电磁吸盘吸料。

电磁吸盘的吸力由直流电磁铁和交流电磁铁产生。

用负压吸盘和电磁吸盘吸料，其吸盘的形状、数量、吸附力大小，根据被吸附的物件形状、尺寸和重量大小而定。

此外，根据特殊需要，手部还有勺式（如浇铸机械手的浇包部分）、托式（如冷齿轮机床上下料机械手的手部）等型式.

2、手腕

是连接手部和手臂的部件，并可用来调整被抓取物件的方位（即姿势）。

3、手臂

手臂是支承被抓物件、手部、手腕的重要部件。

手臂的作用是带动手指去抓取物件，并按预定要求将其搬运到指定的位置.

工业机械手的手臂通常由驱动手臂运动的部件（如油缸、气缸、齿轮齿条机构、连杆机构、螺旋机构和凸轮机构等）与驱动源（如液压、气压或电机等）相配合，以实现手臂的各种运动。

手臂可能实现的运动如下:

手臂在进行伸缩或升降运动时，为了防止绕其轴线的转动，都需要有导向装置，以保证手指按正确方向运动。

此外，导向装置还能承担手臂所受的弯曲力矩和扭转力矩以及手臂回转运动时在启动、制动瞬间产生的惯性力矩，使运动部件受力状态简单。

导向装置结构形式，常用的有:

单圆柱、双圆柱、四圆柱和V形槽、燕尾槽等导向型式。

4、立柱

立柱是支承手臂的部件，立柱也可以是手臂的一部分，手臂的回转运动和升降（或俯仰）运动均与立柱有密切的联系。

机械手的立往通常为固定不动的，但因工作需要，有时也可作横向移动，即称为可移式立柱。

5、行走机构

当工业机械手需要完成较远距离的操作，或扩大使用范围时，可在机座上安装滚轮、轨道等行走机构，以实现工业机械手的整机运动。

滚滚轮轮式式布行走机构可分为有轨的和无轨的两种。

驱动滚轮运动则应另外增设机械传动装置。

6、机座

机座是机械手的基础部分，机械手执行机构的各部件和驱动系统均安装于机座上，故起支撑和连接的作用。

（二）驱动系统

驱动系统是驱动工业机械手执行机构运动的动力装置，通常由动力源、控制调节装置和辅助装置组成。

常用的驱动系统有液压传动、气压传动、电力传动和机械传动。

（三）控制系统

控制系统是支配着工业机械手按规定的要求运动的系统。

目前工业机械手的控制系统一般由程序控制系统和电气定位（或机械挡块定位）系统组成。

控制系统有电气控制和射流控制两种，它支配着机械手按规定的程序运动，并记忆人们给予机械手的指令信息（如动作顺序、运动轨迹、运动速度及时间），同时按其控制系统的信息对执行机构发出指令，必要时可对机械手的动作进行监视，当动作有错误或发生故障时即发出报警信号。

（四）位置检测装置

控制机械手执行机构的运动位置，并随时将执行机构的实际位置反馈给控制系统，并与设定的位置进行比较，然后通过控制系统进行调整，从而使执行机构以一定的精度达到设定位置。

1.2.2机械手的分类

工业机械手的种类很多，关于分类的问题，目前在国内尚无统一的分类标准，在此暂按使用范围、驱动方式和控制系统等进行分类。

（一）按用途分

机械手可分为专用机械手和通用机械手两种:

1、专用机械手

它是附属于主机的、具有固定程序而无独立控制系统的机械装置。

专用机械手具有动作少、工作对象单一、结构简单、使用可靠和造价低等特点，适用于大批量的自动化生产，如自动机床、自动线的上、下料机械手和“加口工中心”附属的自动换刀机械手。

2、通用机械手

它是一种具有独立控制系统的、程序可变的、动作灵活多样的机械手。

在规格性能范围内，其动作程序是可变的，通过调整可在不同场合使用，驱动系统和控制系统是独立的。

通用机械手的工作范围大、定位精度高、通用性强，适用于不断变换生产品种的中小批量自动化的生产。

通用机械手按其控制定位的方式不同可分为简易型和伺服型两种:

简易型以“开一关”式控制定位，只能是点位控制:

伺服型具有伺服系统定位控制系统，可以是点位的，也可以实现连续轨迹控制，一般的伺服型通用机械手属于数控类型。

（二）按驱动方式分

1、液压传动机械手

是以液压的压力来驱动执行机构运动的机械手。

其主要特点是:

抓重可达几百公斤以上、传动平稳、结构紧凑、动作灵敏。

但对密封装置要求严格，不然油的泄漏对机械手的工作性能有很大的影响，且不宜在高温、低温下工作。

若机械手采用电液伺服驱动系统，可实现连续轨迹控制，使机械手的通用性扩大，但是电液伺服阀的制造精度高，油液过滤要求严格，成本高。

2、气压传动机械手

是以压缩空气的压力来驱动执行机构运动的机械手。

其主要特点是:

介质李源极为方便，输出力小，气动动作迅速，结构简单，成本低。

但是，由于空气具有可压缩的特性，工作速度的稳定性较差，冲击大，而且气源压力较低，抓重一般在30公斤以下，在同样抓重条件下它比液压机械手的结构大，所以适用于高速、轻载、高温和粉尘大的环境中进行工作。

3、机械传动机械手

即由机械传动机构（如凸轮、连杆、齿轮和齿条、间歇机构等）驱动的机械手。

它是一种附属于工作主机的专用机械手，其动力是由工作机械传递的。

它的主要特点是运动准确可靠，动作频率大，但结构较大，动作程序不可变。

它常被用于工作主机的上、下料。

4、电力传动机械手

即有特殊结构的感应电动机、直线电机或功率步进电机直接驱动执行机构运动的机械手，因为不需要中间的转换机构，故机械结构简单。

其中直线电机机械手的运动速度快和行程长，维护和使用方便。

此类机械手目前还不多，但有发展前途。

（三）按控制方式分

1、点位控制

它的运动为空间点到点之间的移动，只能控制运动过程中几个点的位置，不能控制其运动轨迹。

若欲控制的点数多，则必然增加电气控制系统的复杂性。

目前使用的专用和通用工业机械手均属于此类。

2、连续轨迹控制

它的运动轨迹为空间的任意连续曲线，其特点是设定点为无限的，整个移动过程处于控制之下，可以实现平稳和准确的运动，并且使用范围广，但电气控制系统复杂。

这类工业机械手一般采用小型计算机进行控制。

国内外发展状况

国外机械手领域发展近几年有如下几个趋势:

（1）工业机械手性能不断提高（高速度、高精度、高可靠性、便于操作和维修），而单机价格不断下降，平均单机价格从91年的万美元降至97年的65万美元。

（2）机械结构向模块化、可重构化发展。

例如关节模块中的伺服电机、减速机、检测系统三位一体化:

由关节模块、连杆模块用重组方式构造机械手整机;国外已有模块化装配机械手产品问市。

（3）工业机械手控制系统向基于PC机的开放型控制器方向发展，便于标准化、网络化;器件集成度提高，控制柜日见小巧，且采用模块化结构:

大大提高了系统的可靠性、易操作性和可维修性。

（4）机械手中的传感器作用日益重要，除采用传统的位置、速度、加速度等传感器外，装配、焊接机械手还应用了视觉、力觉等传感器，而遥控机械手则采用视觉、声觉、力觉、触觉等多传感器的融合技术来进行环境建模及决策控制;多传感器融合配置技术在产品化系统中已有成熟应用。

（5）虚拟现实技术在机械手中的作用已从仿真、预演发展到用于过程控制，如使遥控机械手操作者产生置身于远端作业环境中的感觉来操纵机械手。

（6）当代遥控机械手系统的发展特点不是追求全自治系统，而是致力于操作者与机械手的人机交互控制，即遥控加局部自主系统构成完整的监控遥控操作系统，使智能机械手走出实验室进入实用化阶段。

美国发射到火星上的“索杰纳”机械手就是这种系统成功应用的最着名实例。

（7）机械手化机械开始兴起。

从94年美国开发出“虚拟轴机床”以来，这种新型装置已成为国际研究的热点之一，纷纷探索开拓其实际应用的领域。

我国的工业机械手从80年代“七五”科技攻关开始起步，在国家的支持下，通过“七五”、“八五”科技攻关，目前己基本掌握了机械手操作机的设计制造技术、控制系统硬件和软件设计技术、运动学和轨迹规划技术，生产了部分机械手关键元器件，开发出喷漆、弧焊、点焊、装配、搬运等机械手;其中有130多台套喷漆机械手在二十余家企业的近30条自动喷漆生产线（站）上获得规模应用，弧焊机械手己应用在汽车制造厂的焊装线上。

但总的来看，我国的工业机械手技术及其工程应用的水平和国外比还有一定的距离，如:

可靠性低于国外产品；机械手应用工程起步较晚，应用领域窄，生产线系统技术与国外比有差距;在应用规模上，我国己安装的国产工业机械手约200台，约占全球已安装台数的万分之四。

以上原因主要是没有形成机械手产业，当前我国的机械手生产都是应用户的要求，“一客户，一次重新设计”，品种规格多、批量小、零部件通用化程度低、供货周期长、成本也不低，而且质量、可靠性不稳定。

因此迫切需要解决产业化前期的关键技术，对产品进行全面规划，搞好系列化、通用化、模块化设计，积极推进产业化进程.我国的智能机械手和特种机械手在“863”计划的支持下，也取得了不少成果。

其中最为突出的是水下机械手，6000m水下无缆机械手的成果居世界领先水平，还开发出直接遥控机械手、双臂协调控制机械手、爬壁机械手、管道机械手等机种:

在机械手视觉、力觉、触觉、声觉等基础技术的开发应用上开展了不少工作，有了一定的发展基础。

但是在多传感器信息融合控制技术、遥控加局部自主系统遥控机械手、智能装配机械手、机械手化机械等的开发应用方面则刚刚起步，与国外先进水平差距较大，需要在原有成绩的基础上，有重点地系统攻关，才能形成系统配套可供实用的技术和产品，以期在“十五”后期立于世界先进行列之中。

课题的提出及主要任务课题的主要任务

设计技术要求：

1、工件形状

2、工件重量50g，为塑料件；运动部件总重6Kg

3、动作要求

单元一：

提升机构：

零件从振动料斗落料到20mm高的平台上，首先对其进行检测，检测到零件合格，则该将零件从20mm高处提升至40mm高处，便于物料转移机构进行抓取；如果检测到零件不合格，则将零件推入废料箱中，不进行提升动作。

单元二：

物料转移机构：

检测装置检测到平台上有零件，则将提升机构提升起来的零件转运至距离该处440mm处，待装配。

该机构的气动系统工作循环为：

悬臂伸出→气爪下行→抓取工件→气爪上行→悬臂回缩→旋转合适的角度（小于180o）→悬臂伸出→气爪下行→松开工件（放到指定的工作台上），完成一个自动工作循环。

本课题将要完成的主要任务如下:

（1）机械手为专用机械手

（2）选取机械手的座标型式和自由度

（3）设计出机械手的各执行机构，包括:

气爪，气缸的设计。

（4）气压传动系统的设计

本课题将设计出机械手的气压传动系统，包括气动元器件的选取，气动回路的设计，并绘出气动原理图。

（6）机械手的控制系统的设计

本机械手拟采用可编程序控制器（PLC）对机械手进行控制，本课题将要选取PLC型号，根据机械手的工作流程编制出PLC程序，并画出梯形图。

第2章设计方案

对气动机械手的基本要求是能快速、准确地拾一放和搬运物件，这就要求它们具有高精度、快速反应、一定的承载能力、足够的工作空间和灵活的自由度及在任意位置都能自动定位等特性。

设计气动机械手的原则是:

充分分析作业对象（工件）的作业技术要求，拟定最合理的作业工序和工艺，并满足系统功能要求和环境条件;明确工件的结构形状和材料特性，定位精度要求，抓取、搬运时的受力特性、尺寸和质量参数等，从而进一步确定对机械手结构及运行控制的要求;尽量选用定型的标准组件，简化设计制造过程，兼顾通用性和专用性，并能实现柔性转换和编程控制.

机械手的座标型式与自由度

按机械手手臂的不同运动形式及其组合情况，其座标型式可分为直角座标式、圆柱座标式、球座标式和关节式。

由于本机械手在上下料时手臂具有升降、收缩，无旋转，因此，可采用直角座标型式。

机械手的手部结构方案设计

本课题要抓取的是一圆柱形物体，所以可采用夹持式手部，直接采取气爪即可。

机械手的手腕结构方案设计

被抓取工件是水平放置，手腕无需设有回转运动。

因此，手腕设计并无太大要求，只需连接手臂与手部即可。

机械手的手臂结构方案设计

按照抓取工件的要求，本机械手的手臂有三个自由度，即手臂的伸缩、左右回转和升降（或俯仰）运动。

手臂的回转和升降运动是通过立柱来实现的，立柱的横向移动即为

手臂的横移。

手臂的各种运动由气缸来实现。

机械手的驱动方向设计

由于气压传动系统的动作迅速，反应灵敏，阻力损失和泄漏